水聲多徑信道研究

多徑的產(chǎn)生及組成1多徑產(chǎn)生的原因水聲信道的多徑傳播模型多徑的組成幾種海況下的多徑現(xiàn)象1第1頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日界面發(fā)射：海洋存在著海面和海底2個(gè)界面，聲波傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生反射。聲線彎曲：由于溫度、鹽度和深度的影響，不同深度的聲速分布不均勻，從而使聲波發(fā)生折射。海水中隨機(jī)分布的雜亂體的散射。多徑產(chǎn)生的原因1、由于水聲場(chǎng)的時(shí)-空-頻變特性，使得多途現(xiàn)象尤為突出，成為水聲通信中難以克服的困難。2、淺海邊界條件復(fù)雜、水中散射體多、介質(zhì)分布不均勻等因素，也使得淺海中多途效應(yīng)比深海嚴(yán)重得多。3、當(dāng)通信距離增加到一定程度，將不存在直達(dá)路徑，此時(shí)必須利用多途信號(hào)才能有效的通信。2第2頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日水聲信道的多徑傳播模型3聲音的速度和深度的函數(shù)及相應(yīng)的海洋截面第3頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日水聲信道的多徑傳播模型(a)深海；(b)淺海4第4頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多徑的組成多徑一般分為宏觀多徑(macro-multipath)和微觀多徑(micro-multipath)宏觀多徑一般由海面、海底的單次或多次反射形成的，可以導(dǎo)致信號(hào)的強(qiáng)烈起伏(fluctuation)以及大的碼間干擾(InterSymbolInterference,ISI)。微觀多徑一般是由于信道中水團(tuán)的不均勻性，使得聲路徑彎曲而折射形成，也可以導(dǎo)致信號(hào)的起伏。5第5頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象海洋深度、傳播路徑長(zhǎng)度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的深度等因素的存在，導(dǎo)致了水聲多徑傳播的具體情況也是多種多樣的。近距離(<1km)信道近距離信道包括深海垂直信道和近距離水平信道。在這種情況下，接收信號(hào)一般是由直接路徑、海面反射產(chǎn)生的路徑（有時(shí)候也會(huì)有由海底所引發(fā)的路徑）所傳播來的信號(hào)的疊加。在這類信道中，信號(hào)的幅度和相位變化相對(duì)地較輕微，一些針對(duì)電話信道所開發(fā)的信號(hào)調(diào)制方法和信道均衡技術(shù)也是適用于此類信道的。6第6頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象中距離(1~20km)信道經(jīng)由中距離信道傳播所接收到的信號(hào)，其幅度和相位變化比較嚴(yán)重，多徑擴(kuò)展可達(dá)到50ms~1s的量級(jí)。對(duì)于淺海情況，一般都能夠觀察到由海面和海底所引發(fā)的多徑。實(shí)際上，現(xiàn)在的大多數(shù)水聲通信系統(tǒng)都是作用在這類有著復(fù)雜的多徑結(jié)構(gòu)的中距離淺海信道的。這種復(fù)雜的時(shí)變多徑信道給數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐胶途舛紟砹溯^大的困難。7第7頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日幾種海況下的多徑現(xiàn)象遠(yuǎn)距離(20~2000km)信道由于水聲信道的帶寬受限，作用于遠(yuǎn)距離信道的水聲通信系統(tǒng)的頻率只能選在10kHz以下的范圍。經(jīng)過這樣長(zhǎng)的傳播路徑后，由于多徑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化性，信道的均衡問題仍然不是很容易解決。另外，由于經(jīng)過長(zhǎng)距離的傳播后，信號(hào)的傳輸損失非常大，在設(shè)計(jì)水聲通信系統(tǒng)時(shí)，環(huán)境噪聲也成為一個(gè)比較顯著的障礙。8第8頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日水聲信道的多途特性1多徑衰落-振幅多普勒頻展-頻域時(shí)延擴(kuò)展-時(shí)域9第9頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日水聲信道多途特性多徑衰落多普勒頻展時(shí)延擴(kuò)展振幅統(tǒng)計(jì)特性頻域特性時(shí)域特性10第10頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多徑衰落—多途接收信號(hào)的振幅統(tǒng)計(jì)特性水聲信道中，在一個(gè)信道碼元的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，接收端會(huì)接收到由不同路徑到達(dá)的該碼元的多個(gè)信號(hào)復(fù)本，這些信號(hào)復(fù)本的延時(shí)或者相位是隨機(jī)的，合成的結(jié)果就會(huì)造成在該碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)，接收信號(hào)的幅度隨機(jī)起伏，這種由于多途傳播而引起的一個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)的接收信號(hào)幅度的隨機(jī)起伏稱為多徑衰落。在淺海域大深度衰落是頻發(fā)性的，時(shí)常衰到小至無法檢測(cè)。多徑衰落11第11頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日不同距離多途振幅如下圖所示。(a)、(b)和(c)分別為500米、2公里和5.5公里的數(shù)據(jù)。總的說來，多途振幅遵從于廣義瑞利分布，但在距離較近(如500米)和較遠(yuǎn)處（如5.5公里），A/σ較小，趨于瑞利分布。這里，A為多途振幅，σ為多途迭加噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。12第12頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多普勒頻展Bd—多途接收信號(hào)的頻域特性聲波在多途信道傳播時(shí)由于多普勒效應(yīng)造成接收信號(hào)的功率譜展寬就是多普勒頻展。盡管發(fā)射頻率為單頻fs，但接收信號(hào)的功率譜S(f)的卻展寬到fs-fm

到fs+fm

的范圍。這相當(dāng)于單頻信號(hào)在通過多途信道時(shí)受到隨機(jī)調(diào)頻。多普勒頻展13第13頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日在淺海信道中，多普勒頻展可以認(rèn)為是由以下兩個(gè)截然不同的因素引起的。傳輸媒質(zhì)固有的時(shí)變性，如海面風(fēng)浪和海中湍流，其中海面風(fēng)浪是主要因素，并且隨著海風(fēng)風(fēng)級(jí)的增強(qiáng)而增大。W：風(fēng)速；θ：信號(hào)在表面反射時(shí)的隨機(jī)入射角度；f：發(fā)射載波頻率；C：海水中的聲速。發(fā)射-接收端的相對(duì)移動(dòng)。V：系統(tǒng)的移動(dòng)速度；C：海水中的聲速；f：發(fā)射載波頻率。多普勒頻展14第14頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多普勒頻展多普勒頻展的倒數(shù)定義為信道相干時(shí)間：相干時(shí)間表征的是時(shí)變信道對(duì)信號(hào)的衰落節(jié)拍，這種衰落是由于多普勒效應(yīng)引起的，并且發(fā)生在傳輸波形的特定時(shí)間段上，換句話說，就是信道在時(shí)域具有選擇性。15第15頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多普勒頻展時(shí)間選擇性衰落16第16頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多普勒頻展信道的時(shí)變特性可分為兩類：快衰落和慢衰落?？焖ヂ?，也稱時(shí)間選擇性衰落，是用于描述Tcoh<Ts的信道，Tcoh是信道相干時(shí)間，Ts是一個(gè)碼元的傳輸持續(xù)時(shí)間。因此，若信道是快衰落的，則其衰落特性會(huì)在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)改變多次，從而引起基帶脈沖波形的失真。如果Tcoh>Ts，則信道是慢衰落的，這是信道狀態(tài)在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)保持不變，傳輸?shù)拇a元不會(huì)有脈沖失真。17第17頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日多普勒頻展淺海聲信道的多普勒頻展是典型的信道衰落速率。對(duì)于調(diào)頻系統(tǒng)，著重考慮的是多普勒頻展對(duì)于小頻移窄帶信號(hào)的影響，如果選擇相鄰兩個(gè)載頻的頻率間隔大于多普勒頻展，即Bw>>Bd，則可以忽略多普勒頻展帶來的影響。否則必須考慮對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行多普勒頻展補(bǔ)償，對(duì)于接收端來說就比較困難。所以對(duì)于調(diào)頻系統(tǒng)，碼元與碼元之間的頻率必須保留一定的間隔。18第18頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展Δ—多途接收信號(hào)的時(shí)域特性多途傳輸造成接收信號(hào)在時(shí)間軸上的展寬，定義為時(shí)延擴(kuò)展Δ。水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究時(shí)延擴(kuò)展Δ是對(duì)多途信道時(shí)延特性的統(tǒng)計(jì)描述，其含義是表示時(shí)延譜擴(kuò)展的程度。所謂時(shí)延譜是由不同時(shí)延的信號(hào)分量具有的平均功率所構(gòu)成的譜。時(shí)延譜的時(shí)延特征曲線的均方根值為時(shí)延擴(kuò)展Δ。19第19頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)送一個(gè)極窄的脈沖信號(hào)，例如，到接收機(jī)時(shí)，由于存在著多條不同的傳播路徑，且路徑長(zhǎng)度各不相同，則發(fā)射信號(hào)沿各個(gè)路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間就不一樣，因而接收機(jī)所接收到的信號(hào)由許多不同時(shí)延的脈沖組成，可表示為:這里N為路徑的個(gè)數(shù)，

和

分別為第i條路徑的時(shí)延和衰減系數(shù)，為載頻。由于海洋聲信道的空變、時(shí)變等因素的存在，和都是變化的(在有些情況下，甚至N也是變化的)。對(duì)于不同的海洋環(huán)境，如深海、淺海、垂直方向的信道、水平方向的信道等不同的情況，接收信號(hào)中的各個(gè)時(shí)延脈沖可能是離散的，也可能聯(lián)成一片。20第20頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展可以直觀地理解為在一串接收脈沖中，最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延之間的差值，也就是最后一個(gè)可分辨的延時(shí)信號(hào)與第一個(gè)延時(shí)信號(hào)到達(dá)時(shí)間的差值，記為Δ。實(shí)際上，Δ就是脈沖展寬的時(shí)間，若發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接收信號(hào)的寬度為T+Δ。21第21頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展下圖(a)(b)分別是發(fā)射端源信號(hào)和接收端匹配濾波器輸出信號(hào)。在(b)中，多途信號(hào)分別被標(biāo)注1、2、3、4和5。發(fā)射信號(hào)脈寬約0.2ms，經(jīng)過387米后，接收信號(hào)脈寬擴(kuò)展到0.02s。22第22頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展定義最大多途時(shí)延差Tm，即歸一化的時(shí)延特征曲線下降到-30dB處所對(duì)應(yīng)的時(shí)延差。多途造成時(shí)延擴(kuò)展的大小與信號(hào)載波頻率及海洋環(huán)境有關(guān)，淺海的最大時(shí)延差Tm在100ms左右，并且隨著傳播距離的減小而增大，可以增大到100ms~200ms。深海中的多途最大時(shí)延差Tm在300ms以上。通常，一個(gè)擴(kuò)譜系統(tǒng)將被設(shè)計(jì)成沒有ISI，那就是碼元間隔T必須遠(yuǎn)大于多途最大時(shí)延差Tm，即T>>Tm。23第23頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展多途最大時(shí)延差Tm的倒數(shù)定義為信道相關(guān)帶寬：當(dāng)碼元速率較低，信號(hào)帶寬B<<Bcoh時(shí)，信號(hào)通過信道傳輸后各頻率分量的變化具有一致性，則信號(hào)波形不失真，無碼間串?dāng)_，此時(shí)的衰落為平坦衰落。反之，當(dāng)碼元速率較高，信號(hào)帶寬B>Bcoh時(shí)，信號(hào)通過信道傳輸后各頻率分量的變化是不一致的，將引起波形失真，造成碼間串?dāng)_，此時(shí)的衰落為頻率選擇性衰落。24第24頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展頻率選擇性衰落25第25頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展綜上所述，水聲信道是在時(shí)間和頻率上雙重?cái)U(kuò)展的信道。頻域上，多普勒效應(yīng)引起的多普勒頻展Bd，并相應(yīng)在時(shí)域上規(guī)定了相干時(shí)間Tcoh=1/Bd。時(shí)域上，多徑效應(yīng)引起的多途最大時(shí)延差Tm，并相應(yīng)在頻域上規(guī)定了相關(guān)帶寬Bcoh=1/Tm。26第26頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日時(shí)延擴(kuò)展乘積BdTm為信道的擴(kuò)展因子。如果BdTm<1，信道被稱為“欠擴(kuò)展”信道；相反，如果BdTm>1，信道被稱為“過擴(kuò)展”信道。通常，如果BdTm<<1，這時(shí)可以采用相位相干調(diào)制解調(diào)方案，在解調(diào)器中包含自適應(yīng)均衡器來消除碼間干擾。如果凡BdTm>1，信道沖激響應(yīng)的測(cè)量即使可能也是極其困難和不可靠的，這時(shí)相位相干解調(diào)和抗碼間干擾的自適應(yīng)均衡器就會(huì)失去作用，在這種情況下,只能采用基于FSK的非相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)。27第27頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日抗多徑技術(shù)1抗幅度衰落技術(shù)抗碼間干擾技術(shù)28第28頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日29抗多徑技術(shù)分集技術(shù)空間分集頻率分集角度分集時(shí)間分集Rake接收抗幅度衰落技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)線性均衡非線性均衡擴(kuò)頻抗多徑技術(shù)直接序列擴(kuò)頻跳頻抗碼間干擾技術(shù)抗多徑技術(shù)第29頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日30抗幅度衰落技術(shù)分集接收的基本思想：將接收到的多途信號(hào)分離成不相干(獨(dú)立)的多路信號(hào)，然后將這些多路信號(hào)的能量按照一定的規(guī)則合并起來，使接收的有用信號(hào)能量最大，從而提高接收端的信噪功率比，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)而言，使誤碼率最小。分集技術(shù)包括兩個(gè)方面：如何把接收的多途信號(hào)分離出來，使其互不相關(guān)。將分離出的多途水聲信號(hào)怎樣合并起來，獲得最大的信噪比。第30頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日31抗幅度衰落技術(shù)多途信號(hào)之所以難以分離，問題在于它們是相關(guān)或相干的信號(hào)。數(shù)字系統(tǒng)經(jīng)常采用時(shí)間分集一交織技術(shù)來提高抗衰落性能。分集是信道補(bǔ)償?shù)牧硪环N技術(shù)，通常需要多個(gè)接收機(jī)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)它和均衡器一起使用時(shí)，通信的質(zhì)量將有極大提高，并且無需增加發(fā)射功率或帶寬。第31頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日32抗碼間干擾技術(shù)自適應(yīng)均衡技術(shù)從廣義上來講，均衡可以指任何用來消弱碼間干擾的信號(hào)處理操作，由于水聲信道具有隨機(jī)性和時(shí)變性，這就要求均衡器必須能夠?qū)崟r(shí)地跟蹤水聲通信信道的時(shí)變特性，而這種均衡器又被稱為自適應(yīng)均衡器。位于接收機(jī)處的均衡器通過遞歸算法來評(píng)估信道特性，并且修正濾波器的系數(shù)以便對(duì)信道做出相應(yīng)的補(bǔ)償。均衡器從調(diào)整參數(shù)至形成收斂，整個(gè)過程的時(shí)間跨度是均衡器算法、結(jié)構(gòu)和水聲多徑信道變化率的函數(shù)。第32頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日33抗碼間干擾技術(shù)使用自適應(yīng)均衡器的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第33頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日34抗碼間干擾技術(shù)擴(kuò)頻抗多徑技術(shù)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗多徑的基本方法：通過合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的參數(shù)，來分離多途和利用多途從而改善系統(tǒng)的性能。擴(kuò)頻多途接收機(jī)是分集接收機(jī)的一種特別形式，它不是利用在時(shí)域、空域和頻域上設(shè)計(jì)出來的分集支路，而是直接利用從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)之間自然形水聲信道抗多途跳頻通信中同步技術(shù)的研究成的多條“分集支路”。第34頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日35抗碼間干擾技術(shù)水聲通信中擴(kuò)頻技術(shù)主要有直接序列擴(kuò)頻和跳頻兩種。直接序列擴(kuò)頻：簡(jiǎn)稱直擴(kuò)，它直接用高速的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。跳頻：用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。在接收端，為了解調(diào)跳頻信號(hào)，需要有與發(fā)送端完全相同的本地?cái)U(kuò)頻碼發(fā)生器去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收信號(hào)差頻出固定的中頻信號(hào)，然后經(jīng)中頻帶通濾波器及信息解調(diào)器輸出恢復(fù)的信息。第35頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日36抗碼間干擾技術(shù)跳頻抗多途的基本原理：若發(fā)射的信號(hào)載頻頻率為f0，當(dāng)存在多途傳播環(huán)境時(shí)，因多途延時(shí)的不同，信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)間有先有后。若接收機(jī)在收到最先到達(dá)的信號(hào)之后立即將載波頻率跳變到另一個(gè)頻率為上，則可避免由于多途延時(shí)引起接收信號(hào)的碼間干擾(ISI)。為此,要求跳頻信號(hào)駐留時(shí)間小于多途延時(shí)時(shí)間差，換句話說，要求跳頻的速率應(yīng)足夠快。跳頻抗衰落是指抗頻率選擇性衰落。當(dāng)跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時(shí)，可使各個(gè)跳頻駐留時(shí)間內(nèi)的信號(hào)相互獨(dú)立，即在不同的載波頻率上同時(shí)發(fā)生衰落的可能性很小。第36頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日37抗碼間干擾技術(shù)擴(kuò)頻多途接收機(jī)與自適應(yīng)均衡技術(shù)的差別：自適應(yīng)均衡技術(shù)通常用于多途不能分離的場(chǎng)合。擴(kuò)頻技術(shù)可以有效地消除碼間干擾，其分集合并的特性是隱含的。第37頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日水聲多徑信道模型138第38頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日39水聲多徑信道模型聲線理論是發(fā)展最早，也是數(shù)學(xué)上最簡(jiǎn)單、物理上最直觀的聲場(chǎng)分析方法。由于聲線理論以下特點(diǎn)，在建立水聲多徑信道模型時(shí)，一般都基于聲線理論。在聲線理論下，對(duì)聲場(chǎng)的描述是通過聲線進(jìn)行的。由聲源輻射的聲能量沿聲線向四周傳播，其中部分聲線按一定路徑傳播而到達(dá)接收點(diǎn)，這些聲線稱為本征聲線，接收點(diǎn)處的聲場(chǎng)是所有這些本征聲線的疊加結(jié)果。第39頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日40水聲多徑信道模型對(duì)于某一實(shí)際的海域，當(dāng)己知海洋環(huán)境的聲速梯度、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)各自的海深，二者之間的距離等海洋環(huán)境參數(shù)時(shí)，即可根據(jù)聲線理論，計(jì)算出接收機(jī)處的本征聲線。設(shè)本征聲線有p條，則我們認(rèn)為水聲多徑信道有p條路徑?？傻玫剿暥鄰叫诺赖拿}沖響應(yīng)為:其中和

分別是對(duì)應(yīng)于不同路徑（即不同的本征聲線）的傳播衰減系數(shù)與相對(duì)時(shí)延，它們可以由己知的環(huán)境參數(shù)計(jì)算而得。p(t)一般是升余弦脈沖。第40頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日41水聲多徑信道模型如果是為了研究應(yīng)用于水聲通信的一些算法的性能，并且沒有具體的水聲通信環(huán)境參數(shù)的時(shí)候，代表第i條路徑的傳播衰減系數(shù)，其值可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來選取。如果在建立信道模型時(shí)，采用狹義定義下的信道，則p(t)為δ(t)，如果采用廣義定義下的信道，則p(t)一般是升余弦脈沖第41頁(yè)/共44頁(yè)2021/10/10星期日42參考文獻(xiàn)：[1]惠俊英,生雪莉.水下聲信道(第二版)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.[2]吳開明.水下聲信道的仿真